超低频变频脉冲负载的混合供电系统及其容量配置和功率控制方法与流程

1.本发明涉及脉冲负载供电、混合供电及特种电源技术领域，特别涉及一种适用于含超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量优化配置及控制方法。


背景技术：

2.随着多源混合供电技术越来越多的应用到大型交通工具中，例如飞机、轮船、火箭等领域中。这些系统中有较多的低频脉冲负荷，如固态雷达、电磁炮等，其所需功率特性将严重影响系统的供电质量和供电可靠性。如何对变频低频大功率脉冲负载进行可靠供电，并减小其对供电系统的冲击，是保证供电系统可靠运行的关键问题。
3.提高系统供电容量和增加具有快速响应特性储能单元被广泛应用于含脉冲负载的供电系统中，使得混合供电系统的母线电压在脉冲负载冲击时的跌落在容许的范围内。由于提高系统供电容量会显著提升供电系统的总体积，这种方法通常应用于地面系统中，例如雷达站。而在大型电气化交通工具中，通常利用储能单元吸收脉冲功率，从而减小系统体积，例如采用电池、电容、飞轮储能等。对于大功率脉冲负载，若仅采用电池去吸收脉冲功率，由于长时间大电流放电，会显著减小电池寿命，并且电池的容量会随放电电流的增加而显著增加。若采用电容直接挂接在母线上，由于母线电压容许的跌落范围较小，为了应对大功率脉冲负载对母线电压的冲击，电容的容量通常取得较大。为了减小脉冲功率吸收模块的体积，有人提出利用变换器增加电容电压的波动范围，使得相同容量下释放的能量更多，从而减小电容的体积，使得供电系统总体积最小。这对系统体积重量要求严格的含脉冲负载的微电网系统具有重要意义，例如飞机和火箭等。
4.目前，为了解决脉冲负载供电系统的小型化问题，已有多篇学术论文和专利进行了研究并提出了相应的解决方法，例如：
5.1、xinze.huang等人发表“a pulsed power supply adopting active capacitor converter for low
‑
voltage and low
‑
frequency pulsed loads”《ieee transactions on power electronics》，2018：9219
‑
9230，该文章通过引入有源电容变换器，显著增加了电容电压的变化范围，使得在吸收相同脉冲功率下电容容量显著降低，供电系统的功率密度显著提升。其控制方法在传统的双闭环控制基础上增加了前馈控制，使得母线电压的跌落进一步降低。但其所采用的双向buck
‑
boost变换器需保证电容电压时刻高于母线电压才能正常工作，并且其控制方法需要利用滤波器产生控制基准，对于超低频宽频(如0.5hz——200hz)且变频的脉冲负载，该方法并不适用。会导致低通滤波器难以设计，畸变较大，响应速度慢。
6.杨平等人在发表的“一种用于抑制母线电流尖峰的大功率脉冲负载电源”专利中，增加了两条结构相同的反向并联的第一电感支路和第二电感之路，解决了脉冲负载电源轻/重载时因电感电流方向不同且不能突变带来母线电流尖峰的问题，可适应脉冲功率和频率任意变化。其提出的控制方法同样是采用滤波器产生控制基准，不适用于超低频变频
脉冲负载。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于超低频变频脉冲负载的混合供电系统容量配置及控制方法，以解决对变频低频大功率脉冲负载进行可靠供电，减小超低频变频脉冲负载对供电系统的冲击，保证供电系统可靠运行以及减小混合供电系统体积的技术问题。
8.本发明超低频变频脉冲负载的混合供电系统，包括电池和与电池输出端连接的超低频变频脉冲负载；
9.本发明超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括电容器，所述电容器通过dc/dc变换器并联到电池输出端；
10.本发明超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括电流基准产生单元，所述电流基准产生单元用于检测超低频变频脉冲负载的电流i
load
及电容器的电压v
c
，并结合功率流动需求以及电容器应承担的脉冲功率占比后，产生dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
；
11.本发明超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括pi调节器，所述pi调节器用于调节dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
与dc/dc变换器输出电流i
o
的差；
12.本发明超低频变频脉冲负载的混合供电系统还包括pwm及驱动电路，所述pwm及驱动电路用于根据pi调节器的输出信号生成控制dc/dc变换器的驱动信号，用以保证dc/dc变换器输出电流i
o
对输出电流参考信号i
oref
进行快速良好的跟踪。
13.本发明基于超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量配置方法，其包括：
14.设脉冲功率在电容器和电池间的功率分配比率分别为λ
cc
和λ
bat
，两者满足λ
bat
λ
cc
＝1，λ
bat
∈(0，1)，λ
cc
∈(0，1)，当超低频变频脉冲负载在一个脉冲周期内从混合供电系统吸收的能量为w时，电容器的最小容量确定为：
[0015][0016]
其中v
cmax
为电容器的电压上限，v
cmin
为电容器的电压下限，当电容器的电压上限v
cmax
确定后，电容器的体积vol
cc
与电容容量q
c
满足vol
cc
＝k
cc
q
c
，其中k
cc
是一个常系数，与电容器的型号相关；
[0017]
设混合供电系统在整个工作时间段消耗的能量为w
total
，无脉冲负载时的额定电流为i
n
，则电池的最小容量确定为：
[0018]
q
bat
＝max{q
bat1min
,q
bat2min
,q
bat3min
,q
bat4min
}
[0019]
其中q
bat1min
满足：
[0020][0021]
其中v
bat
为电池的平台电压，即q
bat1min
能保证提供整个工作时间段消耗的能量；
[0022]
q
bat2min
满足：
[0023]
[0024]
其中k
r
为与电池内阻相关的常数，δv
max
为母线电压的最大容许跌落值，q
bat2min
能保证在额定电流i
n
情况下输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，其中v
bus
为母线电压，即i
n
r
bat
≤δv
max
,r
bat
为电池的内阻；k
r
与r
bat
、容量q
bat
、输出电压v
bat
满足以下关系式：
[0025][0026]
q
bat3min
满足：
[0027][0028]
其中t
p
为脉冲宽度，q
bat3min
能保证电池提供λ
bat
倍脉冲电流，即i
p
v
bus
t
p
＝wλ
bat
＝w(1
‑
λ
cc
)，其中i
p
为此时电池输出电流，并且在提供λ
bat
倍脉冲电流时能保证输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，即i
p
r
bat
≤δv
max
；
[0029]
q
bat4min
满足：
[0030][0031]
其中t
i
为脉冲负载最小间隔时间，q
bat4min
能保证电池能在t
i
时间内将电容器充电至v
cmax
，即i
ch
t
i
≥q
c
(v
cmax
‑
v
cmin
)，其中i
ch
为电容器的充电电流，同时要保证输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，即i
ch
r
bat
≤δv
max
；
[0032]
因q
bat1min
大于q
bat2min
，于是电池的最小容量确定为：
[0033][0034]
电池的体积vol
bat
与电池的容量q
bat
及输出电压v
bat
满足vol
bat
＝k
bat
q
bat
v
bat
，其中k
bat
为一常系数，与电池的型号相关；当q
bat
＝q
bat1min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0035][0036]
其中v
ctrl
为dc/dc变换器的体积，在混合供电系统中视为常数；当q
bat
＝q
bat3min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0037][0038]
当q
bat
＝q
bat4min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0039][0040]
结合以上三种情况，确定混合供电系统的最小总体积与λ
cc
的关系为：
[0041][0042]
其中k＝2v
bat
/(v
cmax
v
cmin
)为一常数，δ＝t
p
/(t
p
t
i
)为脉冲负载的占空比。
[0043]
本发明基于超低频变频脉冲负载混合供电系统容量配置方法的功率控制方法，其包括确定dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
，首先检测超低频变频脉冲负载电流i
load
，然后将超低频变频脉冲负载电流i
load
与阈值电流i
th
进行比较，i
th
＝(i
n
i
pulse
)/2，其中i
n
为无脉冲负载时的额定电流，i
pulse
为脉冲电流，若：
[0044]
1)i
load
≥i
th
[0045]
表明有脉冲功率需求，此时，进一步检测电容器的电压v
c
，若电容器的电压低于v
cmax
，表明电容器未完全储能，继续判断储能电压是否低于v
cmin
，若不低于v
cmin
，则仍由电池
和电容器共同为负载供电，将i
oref
设置为i
load
‑
i
batmax
，其中i
batmax
为电池在保证输出电压大于v
bus
‑
δv
max
的最大放电电流，若此过程母线电压低于v
bus
‑
δv
max
，立即切断脉冲负载，待电容电压充电至v
cmax
再接入负载；若电容器的电压低于v
cmin
，应立即切断脉冲负载，待电容电压充电至v
cmax
再接入脉冲负载；若电容器的电压高于v
cmax
，则将i
oref
设置为超低频变频脉冲负载电流i
load
的λ
cc
倍；
[0046]
2)i
load
<i
th
[0047]
判断i
load
是否小于零，即判断有无回馈能量，若i
load
小于零，表明有回馈能量，检测电容器的电压，若电容器的电压已达v
cmax
，则将i
oref
设置为0，若电容器的电压未达v
cmax
，则将i
oref
设置为i
load
，电容器吸收全部的回馈能量；若i
load
大于零，检测电容器的电压，若电容器的电压未达v
cmax
，将i
oref
设置为i
ch
，i
ch
为能够保证在下一个脉冲负载到来前将电容器充满电的最小电流，满足i
ch
t
p
≥q
c
(v
cmax
‑
v
cmin
)，若电容器的电压已达v
cmax
，则将i
oref
设置为0。
[0048]
本发明的有益效果：
[0049]
1、本发明提出的超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量配置方法，通过建立系统体积与电池和电容器承担脉冲功率占比的关系，可保证混合供电系统的总体积最小。
[0050]
2、本发明提出的基于超低频变频脉冲负载混合供电系统容量配置方法的功率控制方法，通过检测超低频变频脉冲负载电流，提取其脉冲分量并按优化设计占比处理后作为dc/dc变换器输出电流参考信号，通过电流环控制实现了电容变换器输出电流对基准电流的快速跟踪，从而实现由电容器提供所需低频脉冲功率的目的，能对变频低频大功率脉冲负载进行可靠供电，减小了超低频变频脉冲负载对供电系统的冲击，提升了混合供电系统的功率密度，保证了混合供电系统可靠运行，适用于含超低频变频脉冲负载且对体积要求较为严格的应用场合。
[0051]
3、本发明利用电容器吸收母线上的回馈能量，避免了电池的频繁充放电，减小了回馈能量对电池寿命的影响。
附图说明
[0052]
图1为实施例中混合供电系统结构框图。
[0053]
图2为实施例中的负载特性图。
[0054]
图3为实施例中电流基准产生逻辑框图。
[0055]
图4为实施例中负载频率为2hz时的时域仿真波形，图4从上至下分别为母线电压，变换器输出电流，电池输出电流，电容器电压的仿真波形。
[0056]
图5为实施例中负载频率由2hz变为1hz时，并且有能量回馈时的时域仿真波形；图5从上至下分别为母线电压，变换器输出电流，电池输出电流，电容器电压的仿真波形。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0058]
如图1所示，本实施例中超低频变频脉冲负载的混合供电系统包括电池和与电池输出端连接的超低频变频脉冲负载；还包括电容器c，所述电容器c通过dc/dc变换器并联到电池输出端；还包括电流基准产生单元，所述电流基准产生单元用于检测超低频变频脉冲负载的电流i
load
及电容器的电压v
c
，并结合功率流动需求以及电容器应承担的脉冲功率占
比后，产生dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
；还包括pi调节器，所述pi调节器用于调节dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
与dc/dc变换器输出电流i
o
的差；还包括pwm及驱动电路，所述pwm及驱动电路用于根据pi调节器的输出信号生成控制dc/dc变换器的驱动信号，用以保证dc/dc变换器输出电流i
o
对输出电流参考信号i
oref
进行快速良好的跟踪。
[0059]
本实施例中超低频变频脉冲负载的混合供电系统，正常工作时，电池在脉冲功率负载的间隔期间给电容充电，电池和dc/dc变换器共同为超低频变频脉冲负载供电。通过检测超低频变频脉冲负载电流i
load
，提取其脉冲分量，在考虑电容器c的电压v
c
限制以及电容器c应承担的脉冲功率占比后，得出dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
。输出电流参考信号i
oref
与实际输出电流i
o
作差，误差经过pi调节器调节后由pwm及驱动电路产生dc/dc变换器的驱动信号。
[0060]
本实施例中超低频变频脉冲负载的混合供电系统的容量配置方法包括：
[0061]
设脉冲功率在电容器和电池间的功率分配比率分别为λ
cc
和λ
bat
，两者满足λ
bat
λ
cc
＝1，λ
bat
∈(0，1)，λ
cc
∈(0，1)，当超低频变频脉冲负载在一个脉冲周期内从混合供电系统吸收的能量为w时，电容器的最小容量确定为：
[0062][0063]
其中v
cmax
为电容器的电压上限，v
cmin
为电容器的电压下限，当电容器的电压上限v
cmax
确定后，电容器的体积vol
cc
与电容容量q
c
满足vol
cc
＝k
cc
q
c
，其中k
cc
是一个常系数，与电容器的型号相关；
[0064]
设混合供电系统在整个工作时间段消耗的能量为w
total
，无脉冲负载时的额定电流为i
n
，则电池的最小容量确定为：
[0065]
q
bat
＝max{q
bat1min
,q
bat2min
,q
bat3min
,q
bat4min
}
[0066]
其中q
bat1min
满足：
[0067][0068]
其中v
bat
为电池的平台电压，即q
bat1min
能保证提供整个工作时间段消耗的能量；
[0069]
q
bat2min
满足：
[0070][0071]
其中k
r
为与电池内阻相关的常数，δv
max
为母线电压的最大容许跌落值，q
bat2min
能保证在额定电流i
n
情况下输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，其中v
bus
为母线电压，即i
n
r
bat
≤δv
max
,r
bat
为电池的内阻；k
r
与r
bat
、容量q
bat
、输出电压v
bat
满足以下关系式：
[0072][0073]
q
bat3min
满足：
[0074]
[0075]
其中t
p
为脉冲宽度，q
bat3min
能保证电池提供λ
bat
倍脉冲电流，即i
p
v
bus
t
p
＝wλ
bat
＝w(1
‑
λ
cc
)，其中i
p
为此时电池输出电流，并且在提供λ
bat
倍脉冲电流时能保证输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，即i
p
r
bat
≤δv
max
；
[0076]
q
bat4min
满足：
[0077][0078]
其中t
i
为脉冲负载最小间隔时间，q
bat4min
能保证电池能在t
i
时间内将电容器充电至v
cmax
，即i
ch
t
i
≥q
c
(v
cmax
‑
v
cmin
)，其中i
ch
为电容器的充电电流，同时要保证输出电压不低于v
bus
‑
δv
max
，即i
ch
r
bat
≤δv
max
；
[0079]
因q
bat1min
大于q
bat2min
，于是电池的最小容量确定为：
[0080][0081]
电池的体积vol
bat
与电池的容量q
bat
及输出电压v
bat
满足vol
bat
＝k
bat
q
bat
v
bat
，其中k
bat
为一常系数，与电池的型号相关；当q
bat
＝q
bat1min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0082][0083]
其中v
ctrl
为dc/dc变换器的体积，在混合供电系统中视为常数；当q
bat
＝q
bat3min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0084][0085]
当q
bat
＝q
bat4min
时，混合供电系统的最小总体积确定为：
[0086][0087]
结合以上三种情况，确定混合供电系统的最小总体积与λ
cc
的关系为：
[0088][0089]
其中k＝2v
bat
/(v
cmax
v
cmin
)为一常数，δ＝t
p
/(t
p
t
i
)为脉冲负载的占空比。
[0090]
本实施例中电池的标称电压为270v。根据图2所示的负载特性，脉冲负载频率在1hz至2hz间变化，脉冲宽度为20ms，脉冲负载电流为150a，最小脉冲间隔为500ms，额定电流为10a。当脉冲负载结束后，立即有回馈能量，回馈能量小于脉冲负载吸收的能量的50％，整个工作时间为600s，脉冲数少于600个。
[0091]
根据负载特性，可知整个工作时间段消耗的能量约为：
[0092]
w
total
＝270
×
10
×
600 270
×
140
×
0.02
×
600
‑
270
×
50
×
0.03
×
600
[0093]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
＝1830600j
[0094]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
＝270v
·
1.88ah
[0095]
即q
bat1min
＝1.88ah，q
bat2min
，q
bat3min
，q
bat4min
分别为
[0096][0097][0098][0099]
即q
bat4min
≤q
bat1min
≤q
bat3min
，满足q
bat
＝q
bat1min
的情况。采用四开关dc/dc变换器进一步增大电容电压变化范围，使得系统整体体积进一步减小，选取v
cmax
＝400v，v
cmin
＝140v，结合前述优化方法得出的结论，电容对脉冲负载的供电占比应为：
[0100][0101]
此时混合供电系统的总体积为：
[0102][0103]
本实施例基于超低频变频脉冲负载混合供电系统容量配置方法的功率控制方法，其包括确定dc/dc变换器的输出电流参考信号i
oref
，首先检测超低频变频脉冲负载电流i
load
，然后将超低频变频脉冲负载电流i
load
与阈值电流i
th
进行比较，i
th
＝(i
n
i
pulse
)/2，其中i
n
为无脉冲负载时的额定电流，i
pulse
为脉冲电流，若：
[0104]
1)i
load
≥i
th
[0105]
表明有脉冲功率需求，此时，进一步检测电容器的电压v
c
，若电容器的电压低于v
cmax
，表明电容器未完全储能，继续判断储能电压是否低于v
cmin
，若不低于v
cmin
，则仍由电池和电容器共同为负载供电，将i
oref
设置为i
load
‑
i
batmax
，其中i
batmax
为电池在保证输出电压大于v
bus
‑
δv
max
的最大放电电流，若此过程母线电压低于v
bus
‑
δv
max
，立即切断脉冲负载，待电容电压充电至v
cmax
再接入负载；若电容器的电压低于v
cmin
，应立即切断脉冲负载，待电容电压充电至v
cmax
再接入脉冲负载；若电容器的电压高于v
cmax
，则将i
oref
设置为超低频变频脉冲负载电流i
load
的λ
cc
倍；
[0106]
2)i
load
<i
th
[0107]
判断i
load
是否小于零，即判断有无回馈能量，若i
load
小于零，表明有回馈能量，检测电容器的电压，若电容器的电压已达v
cmax
，则将i
oref
设置为0，若电容器的电压未达v
cmax
，则将i
oref
设置为i
load
，电容器吸收全部的回馈能量；若i
load
大于零，检测电容器的电压，若电容器的电压未达v
cmax
，将i
oref
设置为i
ch
，i
ch
为能够保证在下一个脉冲负载到来前将电容器充满电的最小电流，满足i
ch
t
p
≥q
c
(v
cmax
‑
v
cmin
)，式中q
c
为电容器的电容，若电容器的电压已达v
cmax
，则将i
oref
设置为0。
[0108]
如图3所示的电流基准产生单元逻辑框图，当检测到负载电流时，若负载电流大于80a，表明有脉冲功率需求，检测电容器电压，若电容器电压低于400v，表明电容器未完全储能，不足以完全提供脉冲功率，切断负载。若电容器电压大于等于400v，则将参考电流设置为负载电流的86％。若负载电流小于20a，判断负载电流是否小于零，即判断有无回馈能量。若负载电流小于零，表明有回馈能量，检测电容器电压，若电容器电压已达400v，则将参考电流设置为0a，若电容器电压未达400v，则将负载电流设置为参考电流，电容器吸收全部的回馈能量；若负载电流大于零，检测电容器电压，若电容器电压未达400v，将参考电流设置为
‑
10a，若电容器电压已达400v，则将参考电流设置为0a。
[0109]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。